大跨度系桿拱連續梁拱肋拖拉施工對連續梁結構安全影響研究

蘇天聰

（沈陽大學，遼寧沈陽110044）

1 工程概況

京廣特大橋35#～41#箱梁為現澆無砟軌道后張法預應力混凝土雙線簡支箱梁，橋面寬度為12.6m，計算跨度為24.77m/32.8m。41#～44#為三孔72+128+72m 直吊桿體系連續梁拱橋，拱肋垂直布置，支座中心至梁端0.85m。系梁橫截面采用單箱雙室變高截面，邊支點斷面高4.0m，中支點斷面高7.5m，采用C55 混凝土。拱肋采用二次拋物線，矢跨比f/l=1∶6，矢高21.333m，拱肋截面采用等高度啞鈴型截面，內填C55 補償收縮混凝土。吊桿間距為6.0m，采用PES(FD)7-109 型低應力防腐拉索。兩拱肋間共設3 道鋼結構一字橫撐及4 道K 撐。

2 拱肋拖拉方案設計

該橋鋼管拱肋采用異橋位拼裝鋼管拱，然后采用連續拖拉的方法，將鋼管拱整體縱移就位，縱移距離255.2m（見圖1）。

圖1 橋梁縱斷面圖

2.1 滑移系統設計

2.1.1 軌道設計

軌道走行路徑位于曲線上，以京廣36#～39#墩墩中軸線和42#～43#墩墩中軸線為直線段，兩直線相交后，轉角為2o53′44″，采用R=1500 圓曲線進行過渡。

2.1.2 走行輪組設計

全橋前后左右共設置4 組滑行裝置，每組設置4個滑行小車，每組小車設置2 個輪組，全橋共設置32個輪子（廠家定做），輪子允許承載力根據最不利荷載工況進行計算（30.7t）。

2.2 臨時拱腳設計

臨時拱腳支架自下而上為型鋼桁架、4 組雙拼56工字鋼分配梁、10 組貝雷片橫梁。因兩組鋼管拱間距為12.8m，而臨時輪箱支座間距僅有6m，在安裝第一節拱時，兩邊臨時支座受力不平衡，會出現傾覆現象，需在臨時拱座橫向貝雷梁和簡支梁翼緣板間每側各設置3 根20t 倒鏈，以約束安裝第一段拱時的不平衡力。

2.3 拖拉系統設計

鋼管拱拖拉采用兩點同步拖拉的設計方案，在大里程側輪箱前方設置拖拉錨點，在拖拉路徑上設置3處后錨點，分別在120m、240m、360m 處設置，全橋共設6 個。

在大里程側每個臨時拱座設1 臺連續型液壓千斤頂，施工時由一個總控臺控制兩個千斤頂，同時開關，同步同級施力[1]。千斤頂選擇拖拉力為250t 連續型（2 臺）。

2.4 體系轉換設計

第一次體系轉換流程：安裝壓重貝雷片—預緊鋼絞線—拆除鞍座。完成由臨時拱腳和支架受力到由臨時拱腳受力的體系轉換。

第二次體系轉換流程：拱腳合龍—拆除鋼絞線—拆除壓重貝雷片—拆除臨時拱腳。完成由臨時拱腳受力到由永久性拱腳受力的體系轉換。

3 拱肋拖拉對永久結構安全影響分析

3.1 工況選擇

由于拖拉過程包含吊裝過程最不利工況，故只需對拖拉施工工況進行驗算[2]。

3.2 模型建立

(72+128+72)m 連續梁拱模型，采用midas 建立全橋有限元計算模型，全橋共283 個單元，270 個節點（midas 模型見圖2）。

圖2 單元離散圖(midas 模型)

3.3 荷載及荷載組合

3.3.1 荷載取值

（1）恒載

結構自重：主梁及拱座混凝土容重取γ =26.0kN/m3，拱肋混凝土容重取γ=23kN/m3，考慮加勁肋等影響，拱肋鋼結構容重取γ=98.13kN/m3。

預應力及其次內力[3]。

混凝土收縮、徐變[4]。

混凝土收縮應變和徐變系數按《鐵路橋涵混凝土結構設計規范》（TB 10092—2017）的規定計算[5]。其中，拱肋混凝土徐變按環境濕度80%計。

（2）頂推施工荷載

（a）拖拉移動荷載

推運車荷載以移動集中荷載的方式施加模擬頂推過程，推運車總重為291.93t，沖擊系數為1.5。

（b）臨時均布荷載

混凝土墊層：25cm 厚，1.2m 寬，雙側布置，共15kN·m；

60kg/m 鋼軌，雙側布置，共2.4kN·m。

3.3.2 荷載組合

頂推過程驗算荷載組合為：1.0×恒載+1.5×移動荷載+1.0×臨時荷載

3.4 拖拉施工對梁體強度的影響

拖拉施工對梁體強度的影響分析，如圖3、圖4所示。

圖3 主梁恒載+1.5 倍移動荷載彎矩包絡圖（kN·m）

圖4 主梁恒載+1.5 倍移動荷載剪力包絡圖（kN）

根據《公路橋涵設計通用規范》（TJG D60—2015），構件運送安裝階段強度驗算安全系數不低于1.8。頂推過程中，主梁第212 單元（位于拱腳位置）抗彎安全系數最小為2.2，主梁第70 單元（位于拱腳位置）抗剪安全系數最小為2.3，滿足規范要求。

3.5 拖拉施工對梁體應力的影響分析

頂推過程主梁上下緣應力圖如圖5、圖6所示。

圖5 主梁上緣應力包絡圖（MPa）

圖6 主梁下緣應力包絡圖（MPa）

注：圖中拉為正，壓為負。

根據《公路橋涵設計通用規范》（TJG D60—2015）進行頂推施工過程主梁抗裂性及壓應力驗算[6]。頂推過程中，主梁最大拉應力為-0.82MPa（受壓）＜0.8fct=1.89MPa，主梁抗裂性驗算滿足規范要求；主梁最大壓應力為-13.3MPa＜0.8fc=21.2MPa，壓應力驗算滿足規范要求。

3.6 拖拉施工對梁體撓度的影響分析

頂推過程中主梁邊跨最大撓度為8.0mm，位于跨中截面附近，中跨最大撓度為26.8mm，位于跨中位置（主梁撓度變形數據見表1）。

表1 主梁撓度變形(mm)

3.7 拖拉施工對支座影響分析

對比拖拉過程中最大反力和支座允許承載力得出，連續梁4 個墩位的支座允許承載力均大于實際最大豎向反力，滿足要求。

3.8 拖拉施工對橋墩水平剪力影響分析

根據拖拉過程中產生的最大水平力計算出墩身的水平剪力值，根據設計文件查出墩身的允許剪力值[7,8]。表2 顯示，墩身允許剪力值遠大于拖拉過程中產生的實際剪力值。

表2 橋墩縱向剪力

3.9 拖拉施工過程中梁體變形檢測

3.9.1 監測點布置

在連續梁拖拉路徑上分別設置沉降觀測點，在拱腳和小車停放位置分別設置1 個觀測點，其中拱腳位置作為拖拉過程監控量測控制點，邊跨在距離41#墩15m、31.5m、49.5m 斷面位置分別設置監測點，中跨分別在跨中、距離跨中22.5m3 個斷面設置監測點。

3.9.2 監測點觀測

各個觀測點設置完成后采集原始高程，然后在拖拉過程中前支點經過監測斷面時、拖拉就位后、臨時拱腳拆除后，分別采集監測點數據，實測數據顯示，拖拉前支點經過時各個監測斷面的變形值較小，拖拉就位后變形值最大2.5cm（理論計算值2.68cm），梁體結構處于安全狀態，臨時拱腳拆除后仍存在殘留變形（最大值1.4cm）。

4 結語

跨高速公路混凝土系桿拱連續梁拱部施工對既有高速公路行車安全影響較大，采用拖拉施工一方面要確保拖拉臨時結構本身的安全，另一方面要確保不破壞既有橋梁結構，臨時結構的安全相對容易控制，但拖拉施工對永久結構的影響受混凝土齡期、預應力張拉、混凝土收縮徐變等多方面因素影響，施工過程中必須做好應力應變監控量測，并對混凝土表面進行檢查，確保拖拉施工過程中既有橋梁結構的安全。